虛擬實驗在生物化學實驗教學中的應用

劉春英

（青島農業大學生命科學學院，山東 青島 266109）

0 引言

生物化學主要研究動、植物有機體的化學組成、分子結構和物質代謝過程。它是農業院校生物技術、生物科學、動物醫學、動物科學、植物保護、食品科學等專業非常重要的專業基礎課。生物化學是一門實踐性非常強的學科，學生在學習過程中要理論聯系實踐，通過實驗來驗證理論知識和加深對理論知識的理解。通過生物化學實驗的操作能夠直接提高學生的動手能力和培養學生觀察問題、分析問題、解決問題的能力。生物化學實驗中需要用到實驗設備和大量的化學試劑，其中很多試劑還具有毒性，經常接觸都老師和學生的健康造成傷害。

虛擬仿真實驗是指借助于多媒體技術和虛擬現實等技術在營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種實驗項目。通過虛擬實驗可以使學生提前熟悉了解實驗原理、掌握實驗過程和操作步驟、了解實驗過程中可能出現的問題和解決方法[1-2]。通過生物化學虛擬仿真實驗與真實實驗操作相結合可以顯著提高學生的學習興趣和學習效果，對于學生掌握生物化學實驗操作技能具有重要意義。

1 生物化學虛擬實驗現狀

近年來，隨著虛擬現實技術的發展，虛擬實驗在實驗教學中的應用也越來越廣泛，涉及到多個專業和學科。國內外很多的高校、科研院所以及遠程教育機構都積極地投入虛擬實驗平臺的構建，開展虛擬實驗教學研究。目前教育部批準了兩批共200個國家級虛擬仿真教學實驗中心，其中包括清華大學的數字化制造系統虛擬仿真實驗教學中心；北京師范大學、鄭州大學的化學虛擬仿真實驗教學中心；浙江大學、山東大學、北京協和醫學院、哈爾濱醫科大學、南通大學、重慶醫科大學等的醫學虛擬仿真實驗教學中心；東北師范大學、臨沂大學的生物學虛擬仿真實驗教學中心等。

關于生物化學虛擬仿真實驗研究較少，沒有完整的生物化學實驗平臺。只有生物化學專業教師自己開發的部分虛擬實驗軟件，如梁亦龍開發了虛擬PCR實驗[3]；黃佳玲報道了采用Flash技術開發的聚丙烯酰胺凝膠電泳的虛擬實驗[4]等，各高校和研究所都還沒有國家級的生物化學虛擬實驗教學中心獲得批準。

2 生物化學虛擬實驗開發基本過程

虛擬實驗平臺的開發一般可分為數字模型建立、制作交互程序和程序發布三個階段。

2.1 數字模型建立

首先要制作三維的數字模型。模型一般采用3D Max、Maya、Silo等三維建模軟件制作。在建模時要根據真實儀器的數據建立模型，保證產品模型的尺寸比例協調和模型外觀在視覺上的真實性；另外三維模型要盡量減少面數，刪除冗余的點面，合并同類模型以降低模型的復雜程度，提高交互程序調用模型的速度。三維建好模型后，進行材質編輯和場景燈光設置。然后對模型進行渲染，使模型達到真實實驗儀器的效果。還可以根據虛擬實驗需要制作三維動畫。

2.2 交互程序設計

采用Unity 3D、VRML、Virtools等虛擬現實開發軟件進行交互程序設計。首先導入制作好的三維模型，創建虛擬實驗場景。場景包括程序的界面、聲音、文字、圖片等；然后對實驗儀器、藥品等三維模型添加動作、事件等要素。其中動作包括模型的移動、旋轉、縮放、切換視角等；事件包括模型對鼠標、鍵盤的響應等交互事件，當用戶執行某個操作時，能夠對該操作做出正確響應。

2.3 程序發布

在完成虛擬仿真設置后，需要將程序發布生成可以獨立運行的虛擬實驗程序。一般可以生成單機的虛擬實驗程序，也可以發布成為網絡格式，使學生可以自己在電腦操作虛擬仿真實驗，隨時隨地做實驗、學習實驗步驟。

3 生物化學虛擬實驗的優勢和存在的問題

3.1 虛擬實驗存在的優勢

虛擬實驗教學在培養學生的實踐能力、研究能力、創新能力和綜合素質等方面有著其他教學環節所不能替代的獨特作用。一個能夠模擬真實實驗的虛擬實驗平臺既能促進學生的學習興趣，又能夠讓教學過程從課堂得到延伸。虛擬實驗比單純的文字、圖像更加形象、生動、完整、便于理解和記憶，它模擬了真實實驗環境，可以提高學生的學習興趣和學習積極性；而且虛擬實驗不受時間和空間的限制，可以自由學習，不受實驗室、講師約束，學生可根據自己的情況安排學習時間，隨時隨地的學習，有很大的靈活性；虛擬實驗還突破了傳統實驗教學場地、材料和實驗儀器的限制，可以大量學生同時進行虛擬實驗，能夠節約現實教學資源，共享教學設施，提高學生實踐操作能力；對于一些危險性較高的實驗或是不具備條件開展的實驗，通過虛擬實驗的學習可以使學生掌握這些實驗的基本內容。

3.2 虛擬實驗存在的問題

因為生物化學和虛擬現實技術是兩個完全不同的專業領域，兩個不同專業人員合作才能開發出真實、實用的虛擬實驗軟件。軟件設計必須要符合真實實驗的過程，還要有原理講解和步驟說明，這需要生物化學教師把握；而軟件的開發還要考慮學生使用該軟件的能力，操作要簡便。如何促進生物化學專業教師和多媒體開發專業人員交流合作，共同開發實驗軟件是目前需要解決的問題。

4 總結

虛擬仿真實驗的開發將能夠有效緩解學校在經費、實驗室、儀器等方面的不足和困難，而且利用網絡進行虛擬實驗教學可以突破傳統實驗對時空的限制，無論是學生還是教師，都可以自由、隨時隨地上網進入虛擬實驗室，進行操作儀器、實驗學習，有助于提高實驗教學質量和學生學習的積極性和主動性，網上虛擬實驗室的開發與應用將會對實驗教學改革產生重大的影響。

［1］李彩虹,丁航,邱文峰,等.虛擬現實技術在醫學生物化學實驗教學中的應用策略研究[J].中國教育技術裝備,2013(06):126-127.

［2］張麗娟,古同男.虛擬網絡實驗室帶動生物化學教學模式改革[J].實驗室研究與探索,2015(05):192-194.

［3］梁亦龍,盧利平,范歡,等.虛擬實驗在生物化學實驗教學中的運用[J].實驗室科學,2012(02):45-47.

［4］黃佳玲,馬生健,曾富華.基于Flash的生物化學虛擬實驗室研究與開發——聚丙烯酰胺凝膠盤狀電泳[J].高校生物學教學研究(電子版),2014(02):52-56.